WO2020144792A1

WO2020144792A1 - 舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラム

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Publication number: WO2020144792A1
Application number: PCT/JP2019/000456
Authority: WO
Inventors: 晃川波; 白石　啓一; 祐介今森; 武蔵坂本
Original assignee: 三菱重工マリンマシナリ株式会社
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-07-16
Also published as: EP3892531A4; KR102571302B1; EP3892531A1; KR20210099108A; CN113286741A; CN113286741B

Abstract

ディーゼル発電機、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を備えディーゼル発電機を高負荷運転する舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムを提供することを目的とする。制御装置（９）がディーゼル発電機（１０）、ＯＲＣシステム（２）及び二次電池（２０）を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システム（１）であって、ディーゼル発電機（１０）は平均船内需要電力に対して負荷率が６０％以上９０％以下であり、制御装置（９）は船内需要電力がディーゼル発電機（１０）及びＯＲＣシステム（２）の合計出力を超えない場合に余剰分の電力を二次電池（２０）に充電するように制御を行い、船内需要電力がディーゼル発電機（１０）及びＯＲＣシステム（２）の合計出力を超える場合に二次電池（２０）に蓄電された電力を放電するように制御を行う。

Description

舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラム

　本発明は、舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムに関するものである。

　船舶において、船内の電力負荷を賄うために、様々な方法が検討されている。
　例えば、特許文献１には、パワータービンで発電した電力を蓄電し、船内負荷が増加した場合に蓄電した電力を利用することが開示されている。
　また、特許文献２には、船舶に設けられた過給機と同軸上の発電機にて発電した電力を蓄電し、船内負荷が増加した場合に蓄電した電力を利用することが開示されている。
　一方、特許文献３には、推進用メインエンジンを冷却したジャケット水と熱交換した有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムが開示されている。
　また、特許文献４には、船舶に設けられた過給機と同軸上の発電機にて発電した電力にて船内負荷を賄い、一部を二次電池へ蓄電し、緊急停止時に用いるディーゼル発電設備が発電を開始するまでの間に二次電池から電力を供給することが開示されている。

特開２００９－１３７３８３号公報特開２０１１－２５６８２７号公報特開２０１６－１４２２２３号公報特許第５８０４７２８号公報

　しかしながら、上記特許文献１、２及び４に開示された発明においては、ディーゼル発電機は主機関が停止している場合等に発電を行うために設けられた非常用の発電機である。上記特許文献１、２及び４に開示された発明ではディーゼル発電機の負荷率についての検討がなされていないため、場合によってはディーゼル発電機の燃費効率が悪いという問題があった。
　上記特許文献１、２及び４に開示された発明に対し、上記特許文献３に開示された発明を適用したとしても同様の課題が存在する。

　上記特許文献４に開示された発明において、ディーゼル発電機の高効率化を図り燃費改善を行うために二次電池を用いてディーゼル発電機の負荷の変動を平準化することが考えられる。二次電池は充放電効率が悪く、単に二次電池を設置しただけではディーゼル発電機の効率改善と二次電池の充放電損失とが相殺され、燃費改善の目的に対しては効果が薄いということがわかっている。

　従来のシステムは、発電を行う装置として船内需要電力の変動に見合う容量のメインディーゼル発電機のみが設けられていた。この従来のシステムに対し、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を追加で設置し、メインディーゼル発電機の負荷の平滑化を行うとすると、メインディーゼル発電機の負荷率は一定となり、常時低負荷での運転が行われることとなる。ここで、メインディーゼル発電機の低負荷での運転は、燃費効率が悪いという問題がある。

　本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ディーゼル発電機、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を備えディーゼル発電機を高負荷運転する舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本開示の舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムは以下の手段を採用する。
　本開示の第一態様に係る舶用電源システムは、発電を行うディーゼル発電機と、有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムと、二次電池と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ディーゼル発電機、前記有機ランキンサイクルシステム及び前記二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムであって、前記ディーゼル発電機は、平均船内需要電力に対して負荷率が６０％以上９０％以下であり、前記制御装置は、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に余剰分の電力を前記二次電池に充電するように制御を行い、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超える場合に前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御を行う。

　本態様によれば、発電を行うディーゼル発電機と、有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムと、二次電池と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ディーゼル発電機、前記有機ランキンサイクルシステム及び前記二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムであって、前記ディーゼル発電機は、平均船内需要電力に対して負荷率が６０％以上９０％以下であり、前記制御装置は、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に余剰分の電力を前記二次電池に充電するように制御を行い、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超える場合に前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御を行う。これにより、船内需要電力が平均の値の近辺ではディーゼル発電機を燃費効率のよい負荷率で用い、船内需要電力が増加するとディーゼル発電機に加えて有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を用いて増加分をカバーすることができる。

　有機ランキンサイクルシステム及び二次電池にて発電を行うことから、ディーゼル発電機の容量を削減することができる、すなわち低容量のディーゼル発電機を用いることができるため、導入コストを削減することができる。

　有機ランキンサイクルシステムにて二次電池の充電を行う場合は、ディーゼル発電機を用いて二次電池の充電を行う必要がないためディーゼル発電機の燃料費を削減することができる。

　通常航海中は二次電池の充電を行い、出港時のバウスラスター起動等の急激な負荷上昇を二次電池の放電にて賄うことから、特に港湾域でのディーゼル発電機の黒鉛発生を防止することができる。

　本開示の第二態様に係る舶用電源システムは、発電を行うディーゼル発電機と、有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムと、二次電池と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ディーゼル発電機、前記有機ランキンサイクルシステム及び前記二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムであって、前記ディーゼル発電機は、メインディーゼル発電機よりも出力が小さい発電機であり、前記制御装置は、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に余剰分の電力を前記二次電池に充電するように制御を行い、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超える場合に前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御を行う。

　本態様によれば、発電を行うディーゼル発電機と、有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムと、二次電池と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ディーゼル発電機、前記有機ランキンサイクルシステム及び前記二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムであって、前記ディーゼル発電機は、メインディーゼル発電機よりも出力が小さい発電機であり、前記制御装置は、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に余剰分の電力を前記二次電池に充電するように制御を行い、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超える場合に前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御を行う。これにより、メインディーゼル発電機を用いずメインディーゼル発電機よりも小出力の発電機にて船内需要電力を賄うことができる。

　ディーゼル発電機は、高負荷域で稼働することにより低燃費とすることができる。メインディーゼル発電機を用いて船内需要電力を賄う場合に、メインディーゼル発電機の容量に対して船内需要電力が低い場合は、メインディーゼル発電機は低負荷域で稼働することとなり燃費効率が悪い。
　また、停電発生時の短時間の電力供給や、メインディーゼル発電機の高効率化及び制御の簡易化を目的としたメインディーゼル発電機の負荷の平滑化を行うために二次電池を設けることが考えられる。しかし、二次電池は充放電効率が悪く、単に二次電池を設置しただけではメインディーゼル発電機の効率改善を二次電池の充放電時の損失で相殺されてしまうため、燃費改善の効果が薄い。

　そこで、メインディーゼル発電機よりも小出力のディーゼル発電機を用いることとする。これにより、ディーゼル発電機は高負荷域で稼働することとなり、燃費を抑えることができる。ディーゼル発電機のみでは船内需要電力を賄えない場合に有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を組み合わせて用いることで、船内需要電力の増加分をカバーすることができる。

　有機ランキンサイクルシステム及び二次電池にて発電を行うことから、ディーゼル発電機の容量を削減することができる。低容量のディーゼル発電機を用いることができるため、導入コストを削減することができる。

　通常航海中は二次電池の充電を行い、出港時のバウスラスター起動等の急激な負荷上昇を二次電池の放電にて賄う。これにより、特に港湾域でのディーゼル発電機の黒鉛発生を防止することができる。

　上記第二態様では、前記制御装置は、前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの出力を一定に制御するとしてもよい。

　本態様によれば、制御装置は、ディーゼル発電機及び有機ランキンサイクルシステムの出力を一定に制御する。これにより制御装置は、複雑な制御を必要としない。また、ディーゼル発電機の出力を高負荷運転となるような所定の値に設定することができる。負荷の変動に対しては、二次電池の充放電にて対応する。

　上記第二態様では、前記制御装置は、船内需要電力の増減に応じて前記ディーゼル発電機の発停を切り替える制御を行うとしてもよい。

　本態様によれば、制御装置は、船内需要電力の増減に応じてディーゼル発電機の発停を切り替える制御を行う。これにより、ディーゼル発電機が高負荷運転となる場合のみディーゼル発電機を運転するため、ディーゼル発電機の燃費を抑えることができる。ディーゼル発電機が停止している場合は、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池にて船内需要電力を賄う。

　本開示の第三態様に係る船舶は、上述の舶用電源システムを備える。

　本開示の第四態様に係る舶用電源システムの制御方法は、ディーゼル発電機、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムの制御方法であって、平均船内需要電力に対してディーゼル発電機の負荷率が６０％以上９０％以下となるように制御する工程と、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に、余剰分の電力を二次電池に充電するように制御する工程と、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの前記合計出力を超える場合に、前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御する工程と、を有する。

　本開示の第五態様に係る舶用電源システムの制御プログラムは、ディーゼル発電機、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムの制御プログラムであって、平均船内需要電力に対してディーゼル発電機の負荷率が６０％以上９０％以下となるように制御するステップと、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に、余剰分の電力を二次電池に充電するように制御するステップと、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの前記合計出力を超える場合に、前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御するステップと、を有する。

　本開示によれば、ディーゼル発電機を高負荷運転するので、ディーゼル発電機の燃費を低燃費とすることができる。

メインディーゼル発電機を用いた舶用電源システムを示した概略構成図である。ＯＲＣシステムを示した概略構成図である。ディーゼル発電機の出力に対する燃費を示したグラフである。図１の構成を用いた場合の電力、燃費率、燃料消費量積算値および二次電池充電量の各値の推移を示したグラフである。本開示の第１実施形態に係る舶用電源システムを示した概略構成図である。本開示の第１実施形態に係る舶用電源システムを用いた場合の電力、燃費率、燃料消費量積算値および二次電池充電量の各値の推移を示したグラフである。本開示の第２実施形態に係る舶用電源システムを用いた場合の電力、燃費率、燃料消費量積算値および二次電池充電量の各値の推移を示したグラフである。

　以下に、本開示に係る舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
　以下、本開示の第１実施形態について、図１乃至６を用いて説明する。
　図１には、メインディーゼル発電機を用いた舶用電源システムの概略構成が示されている。
　図１に示されるように、メインディーゼル発電機を用いた舶用電源システム１は、メインディーゼル発電機１１ａ及び１１ｂ、ディーゼル発電機１０、推進用メインエンジン３、ＯＲＣシステム（Organic　Rankine　Cycle　System；有機ランキンサイクルシステム）２、二次電池２０を主な構成として備えている。
　以下の説明において、各メインディーゼル発電機１１を区別する場合は、末尾にａまたはｂのいずれかを付し、各メインディーゼル発電機１１を区別しない場合は、ａまたはｂを省略する。

　メインディーゼル発電機１１ａ及び１１ｂは、船内需要電力を賄うために発電を行う。通常、メインディーゼル発電機１１は１台が常時稼働しており、船内需要電力が高負荷となった場合のみ２台が負荷均等にて稼働される。また負荷は、船内需要電力の変動に追従する。

　ディーゼル発電機１０は、メインディーゼル発電機１１よりも出力が小さいディーゼル発電機であり、例えば停泊用の発電機として用いられる。

　図２には、本実施形態に係るＯＲＣシステムの概略構成が示されている。
　ＯＲＣシステム２は、有機熱媒体を熱源として発電を行うシステムである。本実施形態では、推進用メインエンジン３におけるディーゼル燃料の燃焼により発生する熱が伝達されるジャケット冷却水を利用することにより、ジャケット冷却水と有機熱媒体を熱交換し有機熱媒体を熱源として発電を行うシステムであるとする。
　図２に示すように、ＯＲＣシステム２は、有機流体循環流路２ａと、蒸発器２ｂと、パワータービン２ｃと、発電機２ｄと、凝縮器２ｅと、循環ポンプ２ｆとを有する。

　有機流体循環流路２ａは、冷却水循環流路６を循環する推進用メインエンジン３におけるジャケット冷却水と熱交換させられる有機流体（作動流体；有機熱媒体）を循環させる流路である。有機流体としては、水よりも沸点の低い流体が用いられる。したがって、有機流体循環流路２ａを循環する有機流体は、高温の冷却水（例えば、約８５℃）と熱交換することにより蒸発させられる。
　水よりも沸点の低い有機流体として、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等の冷媒を用いることができる。

　蒸発器２ｂは、冷却水循環流路６を流通する推進用メインエンジン３におけるジャケット冷却水と有機流体とを熱交換させて有機流体を蒸発させる装置である。蒸発器２ｂは、循環ポンプ２ｆから有機流体循環流路２ａを介して流入する有機流体を蒸発させるとともに蒸発させられた有機流体をパワータービン２ｃへ供給する。

　パワータービン２ｃは、蒸発器２ｂによって蒸発させられた気相の有機流体によって回転させられる装置である。パワータービン２ｃは発電機２ｄに連結されるロータ軸（図示略）を有し、ロータ軸の回転動力を発電機２ｄに伝達する。パワータービン２ｃに回転動力を与える仕事をした有機流体は、パワータービン２ｃから排出された後に凝縮器２ｅへ供給される。

　発電機２ｄは、パワータービン２ｃから伝達されるロータ軸の回転動力によって発電を行う装置である。発電機２ｄにより発電された電力は、船内需要電力を賄うため本実施形態の舶用電源システム１が搭載される船舶の各部に供給される。

　凝縮器２ｅは、パワータービン２ｃから排出された有機流体を海水によって冷却し、気相の有機流体を液相の有機流体に凝縮させる装置である。凝縮器２ｅによって凝縮された液相の有機流体は、有機流体循環流路２ａを介して循環ポンプ２ｆへ供給される。

　循環ポンプ２ｆは、有機流体循環流路２ａを介して凝縮器２ｅから供給される液相の有機流体を蒸発器２ｂへ圧送する装置である。循環ポンプ２ｆが有機流体を圧送することにより、有機流体が有機流体循環流路２ａ上を蒸発器２ｂ，パワータービン２ｃ，凝縮器２ｅの順に循環する。循環ポンプ２ｆが有機流体を吐出する吐出量は、制御装置９によって制御される。

　図１に示されるように、推進用メインエンジン３は、船舶の推進力を発生させる主機関（主機）であり、燃料油および燃料ガスの少なくともいずれか一方を主燃料として掃気空気とともに燃焼させる内燃機関である。図１の推進用メインエンジン３には軸発電機３１が備えられているが、軸発電機３１は設置されていなくてもよく、その出力については本開示の検討に含まないものとする。
　推進用メインエンジン３は、エンジンシリンダの外側に冷却水の流れる通路であるウォータジャケット（図示略）を有する。推進用メインエンジン３は、冷却水入口から流入する冷却水をウォータジャケットに導いてウォータジャケットの周囲を冷却し、冷却水を冷却水出口から冷却水循環流路６へ排出する。

　推進用メインエンジン３を冷却した冷却水は、冷却水循環流路６から流入し、蒸発器２ｂを通過して有機流体循環流路２ａを循環する有機流体と熱交換させられ、冷却水循環流路６へ供給される。

　図１に示されるように、二次電池２０は、船内需要電力の急変動に対応するため、又は停電発生時における短時間の電力供給を目的として設置されている。また、これに加えてメインディーゼル発電機１１の負荷の変動を平準化するために用いられる。これによりメインディーゼル発電機１１の高効率化を図り、燃費改善効果が期待される。
　二次電池２０は、リチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池等であり、特に限定されないが、出力密度、エネルギー密度が高いことからリチウムイオン電池が好ましく用いられる。本実施形態の二次電池２０の容量は、１００ｋｗであるとする。
　以下の説明において、二次電池２０はＯＲＣシステム２から充電を行うとしているが、これに限らず運転状況によっては他の装置からの充電を行うとしてもよい。例えば、ＯＲＣシステム２が停止している場合、また排熱が少ない場合は、ディーゼル発電機１０等の他の装置からの充電を行うとしてもよい。

　制御装置９は、メインディーゼル発電機１１、ディーゼル発電機１０、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０の制御を行う。
　制御装置９は、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

　従来のシステムは、発電を行う装置としてメインディーゼル発電機１１のみが設けられており、船内需要電力の変動については、メインディーゼル発電機１１の負荷を調整することで対応していた。そのため、船内需要電力の変動に見合う容量のメインディーゼル発電機１１が設けられていた。
　ここで、メインディーゼル発電機１１は、それのみで船内需要電力を賄うために容量の大きいディーゼル発電機とされている。例えば図１の場合、メインディーゼル発電機１１は、それぞれ例えば６８０ｋＷのディーゼル発電機であるとされている。

　この従来のシステムに対し、本実施形態の舶用電源システム１は、メインディーゼル発電機１１を置き換えることなくＯＲＣシステム２及び二次電池２０を追加で設置する。舶用電源システム１は、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０によって、停電発生時の短時間の電力供給や、メインディーゼル発電機１１の高効率化及び制御の簡易化を目的としたメインディーゼル発電機１１の負荷の平滑化を行う。
　しかし、船内需要電力の平均である平均船内需要電力に対してメインディーゼル発電機１１の容量が大きすぎると、メインディーゼル発電機１１は低負荷となる。
　従来のシステムに対し図１に示されるようにＯＲＣシステム２及び二次電池２０を追加で設置すると、ＯＲＣシステム２による排熱回収分の電力にて船内需要電力の一部を賄い、また二次電池２０によってメインディーゼル発電機１１の負荷変動を吸収、すなわち負荷を平滑化することとなる。その結果、メインディーゼル発電機１１は常時低負荷での運転が行われることとなる。

　図３には、ディーゼル発電機の出力に対する燃費がグラフに示されている。
　図３において、縦軸はディーゼル発電機の燃費、横軸はディーゼル発電機の出力である。ディーゼル発電機の出力が高いほど燃費が減少、すなわち燃費効率が上がるため、緩やかに右下がりとなるグラフが示されている。
　図３に示されるように、ディーゼル発電機は、高負荷の場合に燃費効率が良い。特に、負荷率が６０％以上９０％以下の場合に燃費効率が良いとされる。
　よって、メインディーゼル発電機１１が低負荷の場合は、燃費効率が悪くなる。

　図４には、図１の構成を用いた場合の電力、燃費率、燃料消費量積算値および二次電池充電量の各値の推移がグラフに示されている。
　図４の各横軸は時間であり、図４（ａ）の縦軸は電力、図４（ｂ）の縦軸は燃費率、図４（ｃ）の縦軸は燃料消費量積算値、図４（ｄ）の縦軸は二次電池充電量である。

　図４（ａ）において、太実線は合計電力を示し、これはすなわち船内需要電力と等しい。また、点線はメインディーゼル発電機１１ａの電力、一点鎖線はメインディーゼル発電機１１ｂの電力、二点鎖線はＯＲＣシステム２の出力、実線は二次電池２０の出力（充放電）を示す。
　図４（ｂ）において、点線はメインディーゼル発電機１１ａの燃費率を示す。
　図４（ｃ）において、実線はメインディーゼル発電機１１の合計燃料消費量、一点鎖線はメインディーゼル発電機１１ｂの燃料消費量を示す。
　図４（ｄ）において、実線は二次電池２０の充電量を示す。

　図４（ａ）の時間ｔｓからｔｅの間において、太線で示される船内需要電力が要求されるものとする。
　メインディーゼル発電機１１の容量は６８０ｋＷであるとし、ＯＲＣシステム２はその出力が１００ｋＷであるとする。船内需要電力に対し、メインディーゼル発電機１１は１台のみ運転とするため、メインディーゼル発電機１１ｂは停止し、図４（ａ）の一点鎖線で示されるように時間ｔｓからｔｅまで出力は０である。メインディーゼル発電機１１ａ及びＯＲＣシステム２は、図４（ａ）の点線及び二点鎖線で示されるように一定の出力で運転される。図４（ａ）のグラフから平均船内需要電力は２４２ｋＷ、最大船内需要電力は８２０ｋＷである。ＯＲＣシステム２は１００ｋＷの一定出力で運転されるとすると、メインディーゼル発電機１１ａは平均船内需要電力からＯＲＣシステム２の出力を減算した値に余裕値を持たせた１４８ｋＷの一定の出力で運転されるものとする。

　時間ｔｓからｔ１までの間は、メインディーゼル発電機１１ａ及びＯＲＣシステム２の合計出力のみで船内需要電力を賄うことができる。この時、二次電池２０は、図４（ａ）の実線で示されるようにマイナスの値をとるが、これは充電を示している。二次電池２０は、ＯＲＣシステム２によって余剰分の電力が充電される。

　時間ｔ１に船内需要電力が増加すると、一定出力とされているメインディーゼル発電機１１ａ及びＯＲＣシステム２の合計出力のみでは賄うことができないため、二次電池２０に蓄電された電力を放電することで船内需要電力を賄う。その後、船内需要電力が低下しメインディーゼル発電機１１ａ及びＯＲＣシステム２の合計出力のみで賄うことができるようになると、二次電池２０はＯＲＣシステム２から余剰分を充電する。

　メインディーゼル発電機１１ａは、容量６８０ｋＷに対して１４８ｋＷの負荷で運転を行うことから、その負荷率は２２％である。ここで、負荷率は、時間ｔｓでの二次電池２０の充電量が時間ｔｅで充電量の初期値に回復するような負荷率とされる。

　図４（ｂ）に示されるように、メインディーゼル発電機１１ａの燃費率はほぼ一定のαｇ／ｋＷｈ（αは例えば２６０）である。

　図４（ｃ）に示されるように、メインディーゼル発電機１１、すなわちメインディーゼル発電機１１ａ及びメインディーゼル発電機１１ｂの合計燃料消費量は、メインディーゼル発電機１１ａのみの運転であるため、メインディーゼル発電機１１ａの燃料消費量を示す。メインディーゼル発電機１１ａの燃料消費量積算値は時間とともに上昇し、時間ｔｅで約５１ｋｇとなる。

　二次電池２０については、時間ｔｓでの充電量が７０ｋＷｈである場合に、時間ｔｅで初期値７０ｋＷｈに回復するようにメインディーゼル発電機１１ａの負荷率が決定されている。時間ｔｓからｔ１までの間は、ＯＲＣシステム２から充電されるため二次電池２０の充電量は増加する。時間ｔ１において放電を開始するため、二次電池２０の充電量は減少するが、放電が必要なくなり再度ＯＲＣシステム２から充電が開始されると二次電池２０の充電量は増加し、時間ｔｅにて充電量は初期値の７０ｋＷｈに回復する。

　このように、従来のシステムに対し単にＯＲＣシステム２及び二次電池２０を追加で設置するだけでは、メインディーゼル発電機１１の負荷率が低くなり、燃費効率の良い運転を行うことが困難である。

　そこで、本実施形態では、メインディーゼル発電機１１よりも出力が小さいディーゼル発電機１０を主発電機として用いるものとする。ディーゼル発電機１０のみで最大船内需要電力を賄えない場合は、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０を組み合わせて用いるものとする。

　図５には、本実施形態に係る舶用電源システムの概要構成が示されている。
　図５に示されるように、本実施形態の構成は、図１に示された構成とほぼ同じであるが、メインディーゼル発電機１１に替えてディーゼル発電機１０を主発電機として用いる。

　図６には、本実施形態に係る舶用電源システムを用いた場合の電力、燃費率、燃料消費量積算値および二次電池充電量の各値の推移がグラフに示されている。
　図６の各横軸は時間であり、図６（ａ）の縦軸は電力、図６（ｂ）の縦軸は燃費率、図６（ｃ）の縦軸は燃料消費量積算値、図６（ｄ）の縦軸は二次電池充電量である。

　図６（ａ）において、太実線は合計電力を示し、これはすなわち船内需要電力と等しい。また、点線はディーゼル発電機１０の電力、一点鎖線はメインディーゼル発電機１１の電力、二点鎖線はＯＲＣシステム２の出力、実線は二次電池２０の出力（充放電）を示す。
　図６（ｂ）において、点線はディーゼル発電機１０の燃費率を示す。
　図６（ｃ）において、実線はディーゼル発電機１０及びメインディーゼル発電機１１の合計燃料消費量、一点鎖線はメインディーゼル発電機１１の燃料消費量を示す。
　図６（ｄ）において、実線は二次電池２０の充電量を示す。

　図６（ａ）の時間ｔｓからｔｅの間において、太線で示される船内需要電力が要求されるものとする。
　ディーゼル発電機１０の容量は２４０ｋＷであるとし、ＯＲＣシステム２はその出力が１００ｋＷであるとする。船内需要電力に対し、ディーゼル発電機１０が主発電機として運転されるため、メインディーゼル発電機１１は停止され、図６（ａ）の一点鎖線で示されるように時間ｔｓからｔｅまで出力は０である。ディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２は、図６（ａ）の点線及び二点鎖線で示されるように一定の出力で運転される。図６（ａ）のグラフから平均船内需要電力は２４２ｋＷ、最大船内需要電力は８２０ｋＷである。ＯＲＣシステム２は１００ｋＷの一定出力で運転されるとすると、制御装置９は、平均船内需要電力からＯＲＣシステム２の出力を減算した値に余裕値を持たせた１４８ｋＷの一定の出力でディーゼル発電機１０が運転されるように制御を行うとする。

　時間ｔｓからｔ１までの間は、ディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力のみで船内需要電力を賄うことができる。この時、二次電池２０は、図６（ａ）の実線で示されるようにマイナスの値をとるが、これは充電を示している。二次電池２０は、ＯＲＣシステム２によって余剰分の電力が充電される。

　時間ｔ１に船内需要電力が増加すると、ディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力のみでは賄うことができないため、二次電池２０に蓄電された電力を放電することで船内需要電力を賄う。その後、船内需要電力が低下しディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力のみで賄うことができるようになると、二次電池２０はＯＲＣシステム２から余剰分を充電する。

　ディーゼル発電機１０は、容量２４０ｋＷに対して１４８ｋＷの負荷で運転を行うことから、その負荷率は６１％である。ここで、負荷率は、時間ｔｓでの二次電池２０の充電量が時間ｔｅで充電量の初期値に回復するような負荷率とされる。

　図６（ｂ）に示されるように、ディーゼル発電機１０の燃費率はほぼ一定のβｇ／ｋＷｈ（βは例えば２２０）である。

　図６（ｃ）に示されるように、ディーゼル発電機１０及びメインディーゼル発電機１１の合計燃料消費量は、ディーゼル発電機１０のみの運転であるため、ディーゼル発電機１０の燃料消費量を示す。ディーゼル発電機１０の燃料消費量積算値は時間とともに上昇し、時間ｔｅで約４３ｋｇとなる。

　二次電池２０については、時間ｔｓでの充電量が７０ｋＷｈである場合に、時間ｔｅで初期値７０ｋＷｈに回復するようにディーゼル発電機１０の負荷率が決定されている。時間ｔｓからｔ１までの間は、ＯＲＣシステム２から充電されるため二次電池２０の充電量は増加する。時間ｔ１において放電を開始するため、二次電池２０の充電量は減少する。時間ｔ２において放電が必要なくなり再度ＯＲＣシステム２から充電が開始されると二次電池２０の充電量は増加し、時間ｔｅにて充電量は初期値の７０ｋＷｈに回復する。

　ディーゼル発電機１０を主発電機として用いる場合は、制御装置９によってディーゼル発電機１０の負荷率が高く燃費効率がよいとされる６０から９０％の負荷率で運転されるように制御される。燃費効率のよい運転を行うことができ、メインディーゼル発電機１１を用いる場合と比較して燃費消費量積算値を約１５％削減することができる。

　上記制御については、制御装置９によって行われる。制御装置９によってＯＲＣシステム２の制御及び二次電池２０の充放電制御が行われる。
　ＯＲＣシステム２のみ設置する場合、または二次電池２０のみ設置する場合は、それぞれインバータが各々独立して１つずつ必要である。しかし、本実施形態の場合は、インバータを１つにすることができる。

　以上、説明してきたように、本実施形態に係る舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
　本実施形態によれば、発電を行うディーゼル発電機１０と、有機熱媒体を熱源として発電を行うＯＲＣシステム２と、二次電池２０と、制御装置９と、を備え、制御装置９は、ディーゼル発電機１０、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システム１であって、ディーゼル発電機１０は、メインディーゼル発電機１１よりも出力が小さい発電機であり、制御装置９は、船内需要電力がディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力を超えない場合に余剰分の電力を二次電池２０に充電するように制御を行い、船内需要電力がディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力を超える場合に二次電池２０に蓄電された電力を放電するように制御を行うことから、メインディーゼル発電機１１を用いずメインディーゼル発電機１１よりも小出力のディーゼル発電機１０にて船内需要電力を賄うことができる。

　ディーゼル発電機は、高負荷域で稼働することにより低燃費とすることができる。メインディーゼル発電機１１を用いて船内需要電力を賄う場合に、メインディーゼル発電機１１の容量に対して船内需要電力が低い場合（例えば容量の半分以下）は、メインディーゼル発電機１１は低負荷域で稼働することとなり燃費効率が悪い。
　停電発生時の短時間の電力供給や、メインディーゼル発電機１１の高効率化及び制御の簡易化を目的としたメインディーゼル発電機１１の負荷の平滑化を行うために二次電池２０を設けることが考えられるが、二次電池２０は充放電効率が悪く、単に二次電池２０を設置しただけではメインディーゼル発電機１１の効率改善を二次電池２０の充放電時の損失で相殺されてしまうため、燃費改善の効果が薄い。

　そこで、メインディーゼル発電機１１よりも小出力のディーゼル発電機１０を用いることとする。これにより、ディーゼル発電機１０は高負荷域で稼働することとなり、燃費を抑えることができる。ディーゼル発電機１０のみでは船内需要電力を賄えない場合にＯＲＣシステム２及び二次電池２０を組み合わせて用いることで、船内需要電力の増加分をカバーすることができる。

　ＯＲＣシステム２及び二次電池２０にて発電を行うことから、ディーゼル発電機１０の容量を削減することができる、すなわち低容量のディーゼル発電機を用いることができるため、導入コストを削減することができる。

　ＯＲＣシステム２にて二次電池２０の充電を行う場合は、ディーゼル発電機１０を用いて二次電池２０の充電を行う必要がないためディーゼル発電機１０の燃料費を削減することができる。

　通常航海中は二次電池２０の充電を行い、出港時のバウスラスター起動等の急激な負荷上昇を二次電池２０の放電にて賄うことから、特に港湾域でのディーゼル発電機１０の黒鉛発生を防止することができる。

　本実施形態によれば、制御装置９は、ディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の出力を一定に制御することから、複雑な制御を必要としない。ディーゼル発電機１０の出力を高負荷運転となるような所定の値に設定することができる。負荷の変動に対しては、二次電池２０の充放電にて対応する。

　本実施形態によれば、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０を独立して設ける場合に必要なインバータを一つ削減し、一つのインバータとすることができ、導入コストを削減することができる。

〔第２実施形態〕
　以下、本開示の第２実施形態について、図７を用いて説明する。
　上記した第１実施形態では、ディーゼル発電機は常時稼働されるとしたが、本実施形態では、高負荷率（可能な限り１００％に近い負荷率）で運転できる場合のみディーゼル発電機を稼働するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付しその説明は省略する。

　二次電池２０の充電量には１００ｋｗの制限があり、ディーゼル発電機１０を発停させず常時稼働する場合は、二次電池２０の充電量が制限値の１００ｋｗに到達すると容量を超えるためそれ以上充電を行えない。その結果ディーゼル発電機１０の負荷率を下げる必要がある。よって、ディーゼル発電機１０を常時稼働する場合に、常時１００％に近い負荷率での運転を行うのは困難である。

　図７には、本実施形態に係る舶用電源システムを用いた場合の電力、燃費率、燃料消費量積算値および二次電池充電量の各値の推移がグラフに示されている。
　図７の各横軸は時間であり、図７（ａ）の縦軸は電力、図７（ｂ）の縦軸は燃費率、図７（ｃ）の縦軸は燃料消費量積算値、図７（ｄ）の縦軸は二次電池充電量である。

　図７（ａ）において、太実線は合計電力を示し、これはすなわち船内需要電力と等しい。また、点線はディーゼル発電機１０の電力、一点鎖線はメインディーゼル発電機１１の電力、二点鎖線はＯＲＣシステム２の出力、実線は二次電池２０の出力（充放電）を示す。
　図７（ｂ）において、点線はディーゼル発電機１０の燃費率を示す。
　図７（ｃ）において、実線はディーゼル発電機１０及びメインディーゼル発電機１１の合計燃料消費量、一点鎖線はメインディーゼル発電機１１の燃料消費量を示す。
　図７（ｄ）において、実線は二次電池２０の充電量を示す。

　図７（ａ）の時間ｔｓからｔｅの間において、太線で示される船内需要電力が要求されるものとする。
　ディーゼル発電機１０の容量は２４０ｋＷであるとし、ＯＲＣシステム２はその出力が１００ｋＷであるとする。船内需要電力に対し、ディーゼル発電機１０が主発電機として運転されるため、メインディーゼル発電機１１は停止され、図７（ａ）の一点鎖線で示されるように時間ｔｓからｔｅまで出力は０である。またＯＲＣシステム２は、図７（ａ）の二点鎖線で示されるように一定の出力１００ｋＷで運転される。ディーゼル発電機１０は、高負荷率（可能な限り１００％に近い負荷率）で運転できる期間のみ運転されるものとする。よって、船内需要電力に対しＯＲＣシステム２の出力のみでは不足する場合は、二次電池２０の放電により電力を賄う。ディーゼル発電機１０の負荷率及び発停時期については、時間ｔｓでの二次電池２０の充電量が１００ｋＷｈである場合に、時間ｔｅで初期値１００ｋＷｈに回復するように決定される。また、図７（ａ）のグラフから平均船内需要電力は２４２ｋＷ、最大船内需要電力は８２０ｋＷである。

　時間ｔｓからｔ３までの間は、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０の合計出力のみで船内需要電力を賄うことができる。この時、二次電池２０は、図７（ａ）の実線で示されるようにプラスの値をとるが、これは放電を示している。

　決定された発停時期に基づき、時間ｔ３においてディーゼル発電機１０が運転を行い、二次電池２０は充電に切り替わる。時間ｔ３以降の期間において、ディーゼル発電機１０は８０から１００％の負荷率にて船内需要電力に応じて運転される。また、ディーゼル発電機１０とＯＲＣシステム２との合計出力が船内需要電力を超え、余剰が発生する場合は、ＯＲＣシステム２から二次電池２０に充電されるように制御装置９によって制御される。ディーゼル発電機１０とＯＲＣシステム２との合計出力が船内需要電力に満たない場合は、二次電池２０の放電により、不足分が補われる。

　図７（ｂ）に示されるように、ディーゼル発電機１０は時間ｔ３から稼働され、その燃費率は図６（ｂ）に示されたβｇ／ｋＷｈ（βは例えば２２０）よりも少ない約２１３ｇ／ｋＷｈである。

　また図７（ｃ）に示されるように、ディーゼル発電機１０及びメインディーゼル発電機１１の合計燃料消費量は、ディーゼル発電機１０のみの運転であるため、ディーゼル発電機１０の燃料消費量を示す。ディーゼル発電機１０の燃料消費量積算値は時間ｔｅで約４２ｋｇとなる。

　また、二次電池２０については、時間ｔｓからｔ３までの間は、放電を行うため二次電池２０の充電量は１００ｋＷｈから減少する。時間ｔ３にて充電を開始するため、二次電池２０の充電量は増加するが、船内需要電力が増加しディーゼル発電機１０とＯＲＣシステム２のみでは賄えない場合は二次電池２０の放電により不足分が補われるためこの場合は充電量が減少する。時間ｔ４にてＯＲＣシステム２から二次電池２０への充電が開始され、時間ｔｅにて充電量は初期値の１００ｋＷｈに回復する。

　このように、ディーゼル発電機１０を主発電機として用い、必要な場合のみディーゼル発電機１０を運転する場合は、ディーゼル発電機１０の負荷率が高く燃費効率がよいとされる高い負荷率で運転されるため、燃費効率のよい運転を行うことができ、メインディーゼル発電機１１を用いる場合と比較して燃費消費量積算値を約１７％削減することができる。

　以上、説明してきたように、本実施形態に係る舶用電源システム、これを備えた船舶、及び舶用電源システムの制御方法並びに舶用電源システムの制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
　本実施形態によれば、制御装置９は、船内需要電力の増減に応じてディーゼル発電機１０の発停を切り替える制御を行うことから、ディーゼル発電機１０が高負荷運転となる場合のみディーゼル発電機１０を運転するため、ディーゼル発電機１０の燃費を抑えることができる。ディーゼル発電機１０が停止している場合は、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０にて船内需要電力を賄う。

　以上、本開示の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。たとえば、上述した各実施形態においてはメインディーゼル発電機１１が設置され、ディーゼル発電機１０を主発電機として用いるとしたが、メインディーゼル発電機１１を設置しなくてもよい。
　メインディーゼル発電機１１を設置しない場合は、平均船内需要電力に対してディーゼル発電機１０の負荷率が６０％以上９０％以下となるようにディーゼル発電機１０を船内需要電力量に応じて１台または複数台設置するものとする。この場合の制御については、メインディーゼル発電機１１を設置する場合（第１実施形態及び第２実施形態）と同様の制御が行われる。

　本態様によれば、発電を行うディーゼル発電機１０と、ＯＲＣシステム２と、二次電池２０と、制御装置９と、を備え、制御装置９は、ディーゼル発電機１０、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システム１であって、ディーゼル発電機１０は、平均船内需要電力に対して負荷率が６０％以上９０％以下であり、制御装置９は、船内需要電力がディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力を超えない場合に余剰分の電力を二次電池２０に充電するように制御を行い、船内需要電力がディーゼル発電機１０及びＯＲＣシステム２の合計出力を超える場合に二次電池２０に蓄電された電力を放電するように制御を行うことから、船内需要電力が平均の値の近辺ではディーゼル発電機１０を燃費効率のよい負荷率で用い、船内需要電力が増加するとディーゼル発電機１０に加えてＯＲＣシステム２及び二次電池２０を用いて増加分をカバーすることができる。

　また、ＯＲＣシステム２及び二次電池２０にて発電を行うことから、ディーゼル発電機１０の容量を削減することができる、すなわち低容量のディーゼル発電機を用いることができるため、導入コストを削減することができる。

　また、ＯＲＣシステム２にて二次電池２０の充電を行う場合は、ディーゼル発電機１０を用いて二次電池２０の充電を行う必要がないためディーゼル発電機１０の燃料費を削減することができる。

　また、通常航海中は二次電池２０の充電を行い、出港時のバウスラスター起動等の急激な負荷上昇を二次電池２０の放電にて賄うことから、特に港湾域でのディーゼル発電機１０の黒鉛発生を防止することができる。

１　舶用電源システム
２　ＯＲＣシステム（有機ランキンサイクルシステム）
３　推進用メインエンジン
９　制御装置
１０　ディーゼル発電機
１１　メインディーゼル発電機
２０　二次電池

Claims

　発電を行うディーゼル発電機と、有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムと、二次電池と、制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、前記ディーゼル発電機、前記有機ランキンサイクルシステム及び前記二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムであって、
　前記ディーゼル発電機は、平均船内需要電力に対して負荷率が６０％以上９０％以下であり、
　前記制御装置は、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に余剰分の電力を前記二次電池に充電するように制御を行い、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超える場合に前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御を行う舶用電源システム。
　発電を行うディーゼル発電機と、有機熱媒体を熱源として発電を行う有機ランキンサイクルシステムと、二次電池と、制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、前記ディーゼル発電機、前記有機ランキンサイクルシステム及び前記二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムであって、
　前記ディーゼル発電機は、メインディーゼル発電機よりも出力が小さい発電機であり、
　前記制御装置は、船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に余剰分の電力を前記二次電池に充電するように制御を行い、前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超える場合に前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御を行う舶用電源システム。
　前記制御装置は、前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの出力を一定に制御する請求項２に記載の舶用電源システム。
　前記制御装置は、船内需要電力の増減に応じて前記ディーゼル発電機の発停を切り替える制御を行う請求項２に記載の舶用電源システム。
　請求項１から請求項４のいずれかに記載の舶用電源システムを備えた船舶。
　ディーゼル発電機、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムの制御方法であって、
　平均船内需要電力に対してディーゼル発電機の負荷率が６０％以上９０％以下となるように制御する工程と、
　船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に、余剰分の電力を二次電池に充電するように制御する工程と、
　前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの前記合計出力を超える場合に、前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御する工程と、
を有する舶用電源システムの制御方法。
　ディーゼル発電機、有機ランキンサイクルシステム及び二次電池を組み合わせて船内需要電力を賄うように制御を行う舶用電源システムの制御プログラムであって、
　平均船内需要電力に対してディーゼル発電機の負荷率が６０％以上９０％以下となるように制御するステップと、
　船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの合計出力を超えない場合に、余剰分の電力を二次電池に充電するように制御するステップと、
　前記船内需要電力が前記ディーゼル発電機及び前記有機ランキンサイクルシステムの前記合計出力を超える場合に、前記二次電池に蓄電された前記電力を放電するように制御するステップと、
を有する舶用電源システムの制御プログラム。